微創(chuàng)血管介入手術機器人

研究意義在全世界范圍內，心血管疾病已逐漸升至為威脅人類健康的“第一殺手”。我國心臟病患者已達2.3億，每年有300萬人死于心腦血管疾病，占全國總死亡人數的40%。心腦血管疾病因其發(fā)病率高、致殘率高和死亡率高已成為對我國中老年人危害最大的疾病之一。當前，血管介入手術因其創(chuàng)傷小、時間短、安全性高、患者痛苦輕、術后恢復快、并發(fā)癥少等特點，成為醫(yī)學界公認的治療心血管病的重要手段。血管介入手術是指醫(yī)生在數字減影血管造影機的導引下，操縱導管在人體血管內運動，對病灶進行治療，達到栓塞畸形血管、溶解血栓、擴張狹窄血管等目的。但是，人工血管介入手術存在以下弊端：醫(yī)生長期暴露在X射線環(huán)境下工作，對身體傷害很大；手術方法技巧性強，對醫(yī)生的技術水平要求高，培訓時間長；操作復雜，醫(yī)生疲勞和人手操作不穩(wěn)定等因素會直接影響手術質量。這些缺點限制了血管介入手術的廣泛應用，機器人技術與血管介入技術有機結合是解決上述問題的重要途徑［1］。微創(chuàng)血管介入手術機器人將緩解病人對醫(yī)生需求，降低醫(yī)生勞動強度，并提高手術的效率和治愈率，是目前國內外研究的一個熱點，也是機器人領域一個極具挑戰(zhàn)性的課題。在微創(chuàng)血管介入手術機器人系統(tǒng)中，通過推進機構將導管/導絲插入到特定的分支血管是整個手術的關鍵步驟，也是血管介入手術機器人要解決的主要突破口，所以推進機構的研究是關鍵科學問題之一。本課題將在現(xiàn)有研究的基礎上，提出一種完全創(chuàng)新的能夠完成支架手術所需全部導管/導絲遞送的推進機構，基于仿生學原理和HAM概念，建立推進機構的人機一體化創(chuàng)新設計和HAM人機系統(tǒng)控制的理論體系，并構建實驗平臺，解決現(xiàn)有血管介入手術機器人系統(tǒng)人機融合性差、人-計算機/機器人系統(tǒng)之間非對稱交互的關鍵技術難題，為我國急需實用的微創(chuàng)血管介入手術機器人系統(tǒng)的研制提供可靠的理論依據和技術支撐，研究成果具有重要的科學意義和理論價值。國內外研究現(xiàn)狀及發(fā)展動態(tài)分析導管/導絲推進機構的研究狀況微創(chuàng)血管介入手術機器人系統(tǒng)主要包括定位機器人、導管/導絲推進機構、推進機構的操作機構、影像導航設備和監(jiān)控設備等，其中導管/導絲推進機構是關鍵設備之一。圖1.1.1為加拿大HansenMedical公司研發(fā)的Sensei血管介入手術機器人系統(tǒng)中的導管/導絲推進機構［2］，圖1.1.2為CatheterRoboticIncorporation研制的Amigo送管機構，這兩種機構都屬于主動導管的輸送機構，能夠實現(xiàn)主動導管的插入與抽出、旋轉、導管頭部的彎曲［3］。下面主要介紹被動導管/導絲推進機構的研究。美國Corindus公司研制了一種CorPath200血管介入手術機器人系統(tǒng)，該系統(tǒng)中的導管/導絲推進機構可以將球囊和支架沿導引鋼絲送入血管病灶處，并采用一次性外殼解決部分消毒問題（圖1.1.3）。在目前的研究成果中，該機構是為數不多的可以遞送多種導管導絲的機構，從功能上來說已經最接近實際手術需求。圖1.1.4和圖1.1.5

分別是英國帝國理工學院和日本香川大學研發(fā)的推進機構［5,6］,這兩種機構都能夠實現(xiàn)對介入導管的遞送，并且還具有實時力反饋的功能，但均沒有提及擴張球囊和支架等的遞送。圖1.1.6和圖1.1.7是國內北京航空航天大學和哈爾濱工業(yè)大學研制的導管/導絲推進機構［7,8］。兩者都是由兩個電機分別驅動導管做軸向進給和周向旋轉運動，并且采用滾輪摩擦傳動方式遞送導管。上述幾種導管/導絲推進機構都存在以下問題：使用時需要將導管從一端穿入機構，然后從另一端穿出，導管/導絲裝夾不便；導管/導絲夾持部件的清洗消毒困難；無法進行球囊和支架軟端部分的插入和抽出。這些缺陷影響了機構的實際臨床應用。燕山大學提出一種機構［9］，解決了上述問題，但缺點是軸向進給和周向旋轉不能同時運動（圖1.1.8）。本項目申請就是針對以上存在的問題，提出一種全新的導管/導絲推進機構。圖1.1.1Sensei圖1.1.1Sensei導管推進機構 圖1.1.2Amigo導管推進機構圖1.1.3CorPath200導管推進系統(tǒng)1.1.2Amigo導管推進機構圖1.1.3CorPath200導管推進系統(tǒng)圖1.1.5日本香川大學的主從推進機構圖1.1.4英國的導管推進機構圖1.1.6北京航空航天大學的導管推進機構圖1.1.7哈爾濱工業(yè)大學的導管推進機構圖1.1.8燕山大學的導管推進機構推進機構定位操控的研究狀況由系統(tǒng)構成可知，用于推進機構定位的機械臂的位姿調整方式也是機器人系統(tǒng)研究的重要問題之一。定位機械臂主要包括主動式、被動式兩種。主動式定位機械臂各個關節(jié)都裝有驅動裝置，定位精度高，無需機械臂自身平衡，但傳統(tǒng)的控制方式過于程式化，不能隨意拖動，只能按預定程序走預定軌跡［10］，環(huán)境適應能力不強。被動機械臂指的是機械臂關節(jié)沒有安裝驅動裝置，需要通過外力使其運動，其優(yōu)點在于能夠在人力作用下任意拖動。目前應用于醫(yī)療領域的被動機械臂有Davinci系統(tǒng)和ZEUS機器人系統(tǒng)［11］，北京航空航天大學開發(fā)的“黎元”立體定向機器人系統(tǒng)［12］、天津大學開發(fā)的“妙手”系統(tǒng)［13］等。但被動機械臂的局限性在于機構設計上需要實現(xiàn)自身的平衡，還要有自鎖裝置，難于進行精確位姿的調整。鑒于主動和被動定位機械臂都有各自的缺點,意大利學者提出一種主被動兩用的定位機械臂Navi-Robot，可以人手操作也可以編程操作［14］。文獻［15］提出一種各關節(jié)都裝有力矩傳感器的手術器械定位機器人，機器人通過各關節(jié)所受的力輔助操作，這樣不用預先設定軌跡程序，即可實現(xiàn)機械臂隨著操作者的拖拽任意運動，即保持了主動機械臂無需自身平衡的優(yōu)點，又具備了被動機械臂操作隨意性和靈活性的優(yōu)點。但是由于機器人的運動是通過關節(jié)力反饋進行控制，難于按照希望軌跡精確到達目標位姿。為此，本申請?zhí)岢鲆环N基于六維力傳感器拖拽方式的定位機械臂操控方法，來解決上述主被動機械臂定位存在的問題。推進機構主從控制的研究現(xiàn)狀微創(chuàng)血管介入手術機器人系統(tǒng)大都采用主從控制的操作方式。日本香川大學開發(fā)的微創(chuàng)

介入手術機器人系統(tǒng)由主從兩部分組成，從手的運動距離、速度以及轉角始終與主手的運動保持一致，以便使操作者可以更加流暢地操作該系統(tǒng)。Sensei機器人系統(tǒng)采用主從異構式的操作方式，主手采用瑞士ForceDimension公司生產的對稱三分支并聯(lián)機構omega系列觸覺反饋裝置（如圖1.1.9所示），主手的三個自由度分別控制導管的前進/后退、旋轉和導管尖端的彎曲，操作者需要知道其中的對應關系，或者需要進行一段時間的訓練才能自如地操作該系統(tǒng)。Corpath200系統(tǒng)同樣采用的是主從操作方式，不同的是，其主操作系統(tǒng)是一個控制面板和兩個操縱桿（如圖1.1.10所示），通過設定控制面板上的控制按鈕和旋轉操縱桿來控制送管機構的動作。該系統(tǒng)沒有力反饋，不能實現(xiàn)操作的臨場感，只能通過圖像反饋來了解手術情況。哈爾濱工業(yè)大學的主手選用Falcon的3自由度手柄［8］，醫(yī)生通過操縱主手和按鈕，控制從手動作，實現(xiàn)對導管的推/拉、旋轉和彎曲/回復。北京理工大學的主手同樣采用omega系列觸覺反饋裝置［16］，操作方式與Sensei機器人系統(tǒng)類似。圖1.1.9HansenMedical的主手 圖1.1.10Corpath系統(tǒng)主手上述主從操作方式的控制過程都是通過主從手之間物理關系的映射來實現(xiàn)，是一個典型的人機系統(tǒng)，可用圖1.1.11來描述。在該系統(tǒng)中，人理解計算機的工作方式并通過計算機來控制機器人，但機器人缺少對操作者行為的理解。為了解決人計算機/機器人系統(tǒng)之間這種非對稱交互的關鍵問題，本項目提出基于HAM（HumanAdaptiveMechatronics）概念的推進機構的主從控制方法。一般HAM系統(tǒng)可用圖1.1.12來表示，HAM系統(tǒng)與人機系統(tǒng)的區(qū)別在于人被引入到控制閉環(huán)中［17］。hll.imi十八Lhll.imi十八LuantTcilef」圖1.1.11人機系統(tǒng)hwnniiHAMa盤thwnniiHAMa盤t鏟tem圖1.1.12HAM系統(tǒng)主要參考文獻目錄[1]盧旺盛，劉達，田增民，張大鵬.血管介入手術機器人的關鍵技術分析[J].生物醫(yī)學工程研究,2009,28(4):303-306.P.Kanagaratnam,M.Koa-Wing,D.T.Wallace,etal.Experienceofroboticcatheterablationinhumansusinganovelremotelysteerablecathetersheath.JournalofInterventionalCardiacElectrophysiology[J].2008,21(1):19-26.B.L.Nguyen,J.L.Merino,E.S.Gang.Remotenavigationforablationprocedures-anewstepforwardinthetreatmentofcardiacarrhythmias[J].EuropeanCardiology,2010,6(3):50-56.J.F.Granada,J.A.Delgado,M.P.Uribe,etal.First-in-humanevaluationofanovelrobotic-assistedcoronaryangioplastysystem.JACC:CardiovascularInterventions[J],2011,4(4):460-465.J.C.Payne,H.Rafii-TariandG.Z.Yang.Aforcefeedbacksystemforendovascularcatheterisation[C].2012IEEE/RSJInternationalConferenceonIntelligentRobotsandSystems,Vilamoura,Algarve,Portugal,2012:1298-1304.S.X.Guo,N.Xiao,B.F.Gao.Internetbasedremotecontrolforaroboticcathetermanipulatingsystem[C].Proceedingsofthe2012ICMEInternationalConferenceonComplexMedicalEngineering,Kobe,Japan,2012:540-544.T.M.Wang,D.P.Zhang,andL.Da.Remotecontrolledvascularinterventionalsurgeryrobot[J].InternationalJournalofMedicalRoboticsandComputerAssistedSurgery,2010,6:194-201.網付宜利，高安柱，劉浩，李凱，王樹國.導管機器人系統(tǒng)的主從介入[4機器人,2011,33(5):579-591.H.B.Wang,X.Yang.Designandanalysisforminimallyinvasivevascularinterventionalsurgicalrobotsystem[J].AdvancedScienceLetters,2012,8:31-36.[10]小林武治.內^^下手衍支援口^^卜^^髡[J].日本檄械學會言志,2009,112(1083):114.G.T.Sung,I.S.Gill.Roboticlaparoscopicsurgery:acomparisonofthedaVinciandZeussystems[J].Urology,2010,58:893-900.[12]田增民，盧旺盛，王田苗，劉達，陳延，張國來，趙全軍，白茫茫，尹豐.遙操作腦立體定向手術的臨床初步應用[J].中華外科雜志,2007,24.[13]王樹新，丁杰男，自今天.顯微外科手術機器人一“妙手”系統(tǒng)的研究田.機器人,2006,28(2):130-135.D.Moschella,G.Gatti,F.I.Cosco,etal.DevelopmentofNavi-Robot,anewassistantfortheorthopaedicsurgicalroom[C].ProceedingsofTwelfthWorldCongressinMechanismandMachineScience,Besangon,France,2007:1-6.G.Duchemin,E.Dom